Quantenmechanik (QM I): Eine Einführung, 7.Auflage

433 Pages·2007·8.39 MB·German

by  Franz Schwabl

Springer-Lehrbuch
Franz Schwabl
Quantenmechanik
(QM I)
Eine Einführung
.Auflage
mitAbbildungen,Tabellen
undÜbungsaufgaben
123
ProfessorDr.FranzSchwabl
Physik-Department
TechnischeUniversitätMünchen
James-Franck-Straße
Garching,Deutschland
E-mail:[email protected]
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ISBN ---- .Auflage SpringerBerlinHeidelbergNewYork
ISBN---- .Auflage SpringerBerlinHeidelbergNewYork
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Vorwort zur siebenten Auflage
Auchdie neueste Auflage wurde gru¨ndlichu¨berarbeitet.Insbesonderein den
fortgeschritteneren Kapiteln wurden Erg¨anzungen und zus¨atzliche Erl¨aute-
rungen eingefu¨gt. Ein Großteil der Abbildungen wurde u¨berarbeitet und
grafisch neu gestaltet. Bei allen A¨nderungen habe ich darauf geachtet, den
kompakten Charakter des Buches beizubehalten. Ich bin bei dieser umfang-
reichen Bearbeitung einer Reihe von Kollegen und Mitarbeitern zu Dank
verpflichtet. Herrn Uwe T¨auber und Herrn Roger Hilton danke ich fu¨r wie-
derholte Ratschl¨age. Einige der bisher qualitativen Diagramme wurden von
Herrn Robert Seyrkammer mit dem Computer generiert. Ich danke beson-
ders Herrn Andrej Vilfan fu¨r die Kontrolle und Neuberechnung einer Reihe
vonanspruchsvollerenDiagrammenundebensoFrauUlrikeOllinger,die das
grafischeDesignderAbbildungenu¨bernommenhat.DemSpringerVerlag,na-
mentlich Herrn Dr. Thorsten Schneider und Frau Jacqueline Lenz danke ich
fu¨rdie exzellenteZusammenarbeit,sowiedemSatz-TeamderFirmaLE-TEX
fu¨r die sorgf¨altige Ausfu¨hrung der Korrekturen. Schließlich danke ich allen
KollegenundStudenten,dieu¨berdieJahreVerbesserungsvorschl¨agegemacht
haben.
Mu¨nchen, im August 2007 F. Schwabl
Vorwort zur ersten Auflage
Das vorliegende Lehrbuch behandelt die Quantenmechanik. In einem einlei-
tendenKapitelwerden,ausgehendvonderhistorischenEntwicklung,anHand
eines Interferenzexperiments die Grundpostulate erschlossen, von da ab ist
der Aufbau rein deduktiv. Neben den Grundlagen und vielen Anwendun-
genwerdenauchneueAspekte derQuantentheorieundderenexperimentelle
U¨berpru¨fungendargestellt.ImTextwirdWertaufeinegestraffteDarstellung
gelegt,die dennochkeine weiterenHilfsmittel erfordert.Die Verst¨andlichkeit
wirdgew¨ahrleistetdurchAngabeallermathematischenSchritteundausfu¨hr-
liche und vollst¨andige Durchfu¨hrung der Zwischenrechnungen.
DasBuchbehandeltdie nichtrelativistischeQuantenmechanikohnezwei-
teQuantisierung,abgesehenvoneinemAbschnitt OptischeU¨berg¨ange“,der
”
eine elementare Darstellung der Quantisierung des Strahlungsfeldes enth¨alt.
Neben demunabdingbarenStoff derQuantenmechanik,innerhalbdessendie
Streutheorie,zeitabh¨angigePh¨anomeneunddieDichtematrixausfu¨hrlichdis-
kutiert werden, enth¨alt das Buch eine Darstellung der Theorie des Meßpro-
zesses und der Bellschen Ungleichung. Ein Kapitel, das bisher noch nicht
Eingang in die Lehrbuchliteratur gefunden hat, ist die supersymmetrische
Quantenmechanik.
Aus didaktischen Gru¨nden wird zun¨achst die Wellenmechanik entwickelt
und ab Kapitel 8 zur Dirac-Notation u¨bergegangen. Nebenrechnungen und
Bemerkungen, die fu¨r das Verst¨andnis nicht entscheidend sind, werden in
Kleindruckdargestellt.NurindenetwasfortgeschrittenerenAbschnittensind
Zitateangegeben,dieauchdortkeineswegsvollst¨andigsind,aberzurweiteren
Lektu¨re anregen sollen.
DasBuchwirdStudentenderPhysikundverwandterFachgebieteabdem
3.oder4.Semesterempfohlen,undTeile darausk¨onnenm¨oglicherweiseauch
von Lehrenden nutzbringend verwendet werden.
Dieses Buch ist aus Vorlesungen u¨ber Quantenmechanik, die der Autor
seit 1973 an der Universit¨at Linz und der Technischen Universit¨at Mu¨nchen
gehalten hat, entstanden. Bei Teilen der Rohfassung des Skriptums und von
Zeichnungen und Tabellen haben die Herren R. Alkofer, E. Frey und H.-T.
Jankamitgewirkt.DieKorrekturenderDruckfahnenwurdenvondenHerren
Th. Fischer, W. Prusseit, H. Schinz, A. Schorgg, S. Thoma und U. T¨auber
gelesen. Herr W. Gasser hat das gesamte Manuskript gelesen und zu vielen
KapitelndesBuchesnu¨tzlicheAnregungengegeben.Ihnenundallenanderen
VIII Vorwort zurersten Auflage
Mitarbeitern, deren Hilfe fu¨r die Entstehung wichtig war, sowie dem Verlag
sei an dieser Stelle herzlichst gedankt.
Mu¨nchen, September 1988 F. Schwabl
Inhaltsverzeichnis
1. Historische und experimentelle Grundlagen............... 1
1.1 Einleitung und U¨berblick............................... 1
1.2 Historisch grundlegende Experimente und Erkenntnisse .... 3
1.2.1 Teilcheneigenschaften elektromagnetischer Wellen .. 3
1.2.2 Welleneigenschaften von Teilchen,
Beugung von Materiestrahlen.................... 7
1.2.3 Diskrete Zust¨ande ............................. 8
2. Wellenfunktion und Schr¨odinger-Gleichung ............... 13
2.1 Die Wellenfunktion
und ihre Wahrscheinlichkeitsinterpretation................ 13
2.2 Schr¨odinger-Gleichung fu¨r freie Teilchen.................. 15
2.3 Superposition von ebenen Wellen........................ 16
2.4 Wahrscheinlichkeitsverteilung fu¨r eine Impulsmessung...... 19
2.4.1 Veranschaulichung der Unsch¨arferelation.......... 21
2.4.2 Impuls im Ortsraum ........................... 22
2.4.3 Operatorenund Skalarprodukt .................. 23
2.5 Korrespondenzprinzip und Schr¨odinger-Gleichung ......... 26
2.5.1 Korrespondenzprinzip .......................... 26
2.5.2 Postulate der Quantentheorie.................... 28
2.5.3 Mehrteilchensysteme ........................... 28
2.6 Das Ehrenfestsche Theorem ............................ 29
2.7 Die Kontinuit¨atsgleichung fu¨r die Wahrscheinlichkeitsdichte. 31
2.8 Station¨are L¨osungen der Schr¨odinger-Gleichung,
Eigenwertgleichungen.................................. 32
2.8.1 Station¨are Zust¨ande............................ 32
2.8.2 Eigenwertgleichungen........................... 33
2.8.3 Entwicklung nach station¨aren Zust¨anden.......... 36
2.9 Physikalische Bedeutung der Eigenwerte eines Operators ... 36
2.9.1 Einige wahrscheinlichkeitstheoretische Begriffe..... 36
2.9.2 Anwendung auf Operatoren
mit diskreten Eigenwerten ...................... 38
2.9.3 Anwendung auf Operatoren
mit kontinuierlichem Spektrum .................. 39
2.9.4 Axiome der Quantentheorie ..................... 41
X Inhaltsverzeichnis
2.10 Erg¨anzungen ......................................... 42
2.10.1 Das allgemeine Wellenpaket ..................... 42
2.10.2 Bemerkung zur Normierbarkeit
der Kontinuumszust¨ande........................ 44
Aufgaben .................................................. 45
3. Eindimensionale Probleme................................ 47
3.1 Der harmonische Oszillator............................. 47
3.1.1 Algebraische Methode .......................... 48
3.1.2 Die Hermite-Polynome ......................... 52
3.1.3 Die Nullpunktsenergie .......................... 54
3.1.4 Koh¨arente Zust¨ande............................ 56
3.2 Potentialstufen........................................ 57
3.2.1 Stetigkeit von ψ(x) und ψ(cid:2)(x)
fu¨r stu¨ckweise stetiges Potential ................. 58
3.2.2 Die Potentialstufe.............................. 58
3.3 Tunneleffekt, Potentialschwelle.......................... 63
3.3.1 Die Potentialschwelle........................... 63
3.3.2 Kontinuierliche Potentialberge................... 67
3.3.3 Anwendungsbeispiel: Der α-Zerfall ............... 67
3.4 Potentialtopf ......................................... 70
3.4.1 Gerade Symmetrie ............................. 72
3.4.2 Ungerade Symmetrie ........................... 73
3.5 Symmetrieeigenschaften................................ 76
3.5.1 Parit¨at ....................................... 76
3.5.2 Konjugation................................... 77
3.6 Allgemeine Diskussion
der eindimensionalen Schr¨odinger-Gleichung .............. 77
3.7 Potentialtopf, Resonanzen.............................. 81
3.7.1 Analytische Eigenschaften
des Transmissionskoeffizienten................... 83
3.7.2 Bewegung eines Wellenpaketes
in der N¨ahe einer Resonanz ..................... 87
Aufgaben .................................................. 92
4. Unsch¨arferelation......................................... 99
4.1 Heisenbergsche Unsch¨arferelation........................ 99
4.1.1 Schwarzsche Ungleichung ....................... 99
4.1.2 Allgemeine Unsch¨arferelationen.................. 99
4.2 Energie-Zeit-Unsch¨arfe................................. 101
4.2.1 Durchgangsdauer und Energieunsch¨arfe........... 101
4.2.2 Dauer einer Energiemessung und Energieunsch¨arfe . 102
4.2.3 Lebensdauer und Energieunsch¨arfe............... 103
4.3 Gemeinsame Eigenfunktionen
von kommutierenden Operatoren........................ 104
Aufgaben .................................................. 107
Inhaltsverzeichnis XI
5. Der Drehimpuls .......................................... 109
5.1 Vertauschungsrelationen,Drehungen..................... 109
5.2 Eigenwerte von Drehimpulsoperatoren ................... 112
5.3 Bahndrehimpuls in Polarkoordinaten .................... 114
Aufgaben .................................................. 120
6. Zentralpotential I......................................... 121
6.1 Kugelkoordinaten ..................................... 121
6.2 Bindungszust¨ande in drei Dimensionen................... 124
6.3 Coulomb-Potential .................................... 126
6.4 Das Zweik¨orperproblem................................ 140
Aufgaben .................................................. 142
7. Bewegung im elektromagnetischen Feld................... 145
7.1 Der Hamilton-Operator ................................ 145
7.2 Konstantes Magnetfeld B .............................. 146
7.3 Normaler Zeeman-Effekt ............................... 147
7.4 Kanonischer und kinetischer Impuls, Eichtransformation ... 149
7.4.1 Kanonischer und kinetischer Impuls .............. 149
7.4.2 A¨nderung der Wellenfunktion
bei einer Eichtransformation .................... 149
7.5 Aharonov-Bohm-Effekt ................................ 151
7.5.1 Wellenfunktion im magnetfeldfreien Gebiet........ 151
7.5.2 Aharonov-Bohm-Interferenzexperiment ........... 152
7.6 Flußquantisierung in Supraleitern ....................... 155
7.7 Freie Elektronen im Magnetfeld ......................... 156
Aufgaben .................................................. 158
8. Operatoren, Matrizen, Zustandsvektoren ................. 161
8.1 Matrizen, Vektoren und unit¨are Transformationen......... 161
8.2 Zustandsvektoren und Dirac-Notation ................... 166
8.3 Axiome der Quantenmechanik .......................... 172
8.3.1 Ortsdarstellung................................ 173
8.3.2 Impulsdarstellung.............................. 173
8.3.3 Darstellung bezu¨glich eines diskreten Basissystems . 174
8.4 Mehrdimensionale Systeme und Vielteilchensysteme ....... 175
8.5 Schr¨odinger-, Heisenberg- und Wechselwirkungs-Darstellung 176
8.5.1 Schr¨odinger-Darstellung ........................ 176
8.5.2 Heisenberg-Darstellung ......................... 176
8.5.3 Wechselwirkungsdarstellung (Dirac-Darstellung) ... 179
8.6 Bewegung eines freien Elektrons im Magnetfeld ........... 179
Aufgaben .................................................. 183
XII Inhaltsverzeichnis
9. Spin ...................................................... 185
9.1 Experimentelle Entdeckung
des inneren Drehimpulses .............................. 185
9.1.1 Normaler“ Zeeman-Effekt...................... 185
”
9.1.2 Stern-Gerlach-Experiment ...................... 185
9.2 Mathematische Formulierung fu¨r Spin 1/2................ 187
9.3 Eigenschaften der Pauli-Matrizen........................ 188
9.4 Zust¨ande, Spinoren.................................... 189
9.5 Magnetisches Moment ................................. 190
9.6 R¨aumliche Freiheitsgrade und Spin ...................... 191
Aufgaben .................................................. 193
10. Addition von Drehimpulsen .............................. 195
10.1 Problemstellung....................................... 195
10.2 Addition von Spin 1/2-Operatoren ...................... 196
10.3 Bahndrehimpuls und Spin 1/2 .......................... 198
10.4 Allgemeiner Fall ...................................... 200
Aufgaben .................................................. 203
11. N¨aherungsmethoden fu¨r station¨are Zust¨ande ............. 205
11.1 Zeitunabh¨angige St¨orungstheorie (Rayleigh-Schr¨odinger) ... 205
11.1.1 Nicht entartete St¨orungstheorie.................. 206
11.1.2 St¨orungstheorie fu¨r entartete Zust¨ande ........... 208
11.2 Variationsprinzip...................................... 209
11.3 WKB (Wentzel-Kramers-Brillouin)-Methode.............. 210
11.4 Brillouin-Wigner-St¨orungstheorie........................ 213
Aufgaben .................................................. 214
12. Relativistische Korrekturen............................... 217
12.1 Relativistische kinetische Energie........................ 217
12.2 Spin-Bahn-Kopplung .................................. 219
12.3 Darwin-Term ......................................... 221
12.4 Weitere Korrekturen................................... 224
12.4.1 Lamb-Verschiebung ............................ 224
12.4.2 Hyperfeinstruktur.............................. 224
Aufgaben .................................................. 227
13. Atome mit mehreren Elektronen.......................... 229
13.1 Identische Teilchen .................................... 229
13.1.1 Bosonen und Fermionen ........................ 229
13.1.2 Nicht wechselwirkende Teilchen.................. 232
13.2 Helium .............................................. 235
13.2.1 Vernachl¨assigung
der Elektron-Elektron-Wechselwirkung............ 236